泽贝克／佩尔捷效应演示实验

李新仁，庄明伟，陈世希，梁志强

（山东交通学院a．汽车工程系；b．数理系，山东 济南250023）

1 引 言

1821年德国物理学家托马斯·约翰·泽贝克（Thomas Johann Seebeck）首次发现将2种不同的热电转换材料结合在一起并且使一端处于高温状态（热端），而另一端开路并且处于低温状态（冷端），则在冷端存在开路电压．这一效应称为泽贝克效应（Seeback effect）．1834年法国物理学家佩尔捷（J．C．A．Peltier）又发现了泽贝克效应的逆效应，即当电流流经2种不同导体形成的回路时，结点处会产生放热和吸热现象，放热或吸热的强度与通过回路电流的大小成正比，此现象称为佩尔捷效应（Peltier effect）［1－2］．随着科学技术的发展，利用半导体材料也可以实现上述现象，如半导体制冷器件、半导体温差发电组件等．本文针对现有温差发电组件的演示装置功能单一等缺陷［3］，设计制作了可以演示泽贝克效应、佩尔捷效应的半导体温差发电演示装置，同时该装置还具有一定的测量功能．

2 半导体温差发电组件原理

泽贝克效应是指2种不同类型的热电转换材料一端结合并将其置于高温环境，另一端开路并置于低温环境，由于高温端的热激发作用较强，空穴和电子浓度较低温端高，在载流子浓度梯度的驱动下，空穴和电子向低温端扩散，从而在低温开路端形成电势差．将多对P型、N型半导体热电转换材料按需求连接起来组成模块，即可制成温差发电组件，如图1所示．

图1 半导体温差发电组件原理图

泽贝克电动势U与冷、热两端的温差ΔT成正比，即：

式中AS为泽贝克系数，单位为V／K或μV／K．AS取决于材料本身的电子能带结构［4－5］．

佩尔捷效应是泽贝克效应的逆效应，是指在材料中通以确定方向的电流时，相应在材料的两端分别会产生吸、放热现象．若改变电流方向，吸、放热端也随之变换．

3 演示装置

3．1 演示装置结构

演示装置采用199WG型半导体温差发电模块，外形尺寸为40 mm×40 mm×4 mm，一共有127对PN结，该模块耐高温性能比较强，热端稳定工作温度可以达到180℃，最高短时冲击温度为220℃．热电转化效率为11．7%．演示仪器实物如图2所示．

图2 演示装置实物图

热源由电加热器提供，在电加热器上放置高温缓冲铝板，以防止半导体发电组件在高温下损坏，而且便于实验数据采集，提高实验精度［6－7］．发电组件高温端的温度传感器安装在高温缓冲板靠近发电组件一侧．电加热器由调节器、温控模块控制，可根据实验需要手动调节加热温度，也可通过输入预设温度实现自控恒温演示，此时温度调节器和温控模块实现闭环控制，使温度稳定在预设值，控制误差范围在±0．5℃．温差发电组件安装在高温缓冲板上，接触面涂导热硅脂，以确保传热效率．散热器安装在发电组件的上面，以维持发电组件两端的温差．系统原理见图3．

控制面板可以实时显示发电组件上下面的温度、组件的电压和电流值．装置由STC89C52单片机控制工作．使用YT5135系列高精度工业面板表头显示发电组件两端电压和通过的电流．高低温面温度测量分别使用51VWE和51WWDE温度测量模块，温度调节范围分别为0～300℃和0～120℃，两测量模块均使用PT100型铂电阻温度传感器采集温度信号．当被测温度达到预设温度时，显示器上有提示信号．加热调节器控制通过加热器的电流，从而控制高温面的温度．

图3 仪器控制原理图

3．2 演示实验

3．2．1 泽贝克效应演示

将仪器选择开关切换到泽贝克效应演示挡位，接通电源总开关后打开散热器风扇开关，把散热控制旋钮调至最大，以保证散热强度，确保仪器安全．

打开电加热器开关，将电加热器调节旋钮置于适当位置，观察面板上的温度显示值，待温度值稳定后记录高低温面温度和温差发电组件的开路电压值，闭合短路开关后记录短路电流值．然后断开短路开关，接通负载电阻，调节负载阻值，记录对应电流和电压值．

图4为输出数据经Matlab拟合处理后得到的温差电动势与温差之间关系图，斜率为泽贝克系数As．

图4 温差电动势与温差之间的关系

每次调节需等待2 min，以使整个装置重新达到新的平衡，调节时应确保高温面的温度小于180℃，以免损坏发电组件．也可通过输出接线柱连接本仪器配套的电机和LED彩灯代替负载电阻，直观演示泽贝克效应．

3．2．2 佩尔捷效应演示

将仪器选择开关切换到佩尔捷效应演示挡位．给半导体组件供电后原发电组件即为制冷组件．实验中注意最大电流不要超过5 A．接通电源开关，再打开散热风扇开关并把控制旋钮调至最大，防止制冷组件高温损坏．调节制冷组件输入电压（电流）控制旋钮，待达到热平衡后观察高低温面的温度值，此时制冷组件两面存在温差．输入电压（电流）值越大温差越大，反之减小．此现象即为佩尔捷效应．

以一定梯度调节制冷组件的输入电压（电流），将得到的数据经Matlab拟合后得到半导体制冷组件输入电压与制冷温差之间的关系曲线如图5所示．

图5 输入电压与制冷温差之间的关系

4 结束语

利用半导体温差发电组件演示仪器演示泽贝克效应及其逆效应．仪器操作简便，结构紧凑，实验效果明显，不仅可以演示泽贝克效应和佩尔捷效应，而且改善了现有泽贝克效应演示装置功能单一、实验复杂和实验中的不安全因素，同时该装置还具有一定的测量功能．

［1］ 郑乔，刘虎．半导体制冷及其在物理实验中的应用［J］．物理实验，2008，28（2）：30－32．

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［3］ 郎成，王丽南，盖啸尘．热力学理论演示装置的设计［J］．大学物理实验，2007，20（2）：53－56．

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